虽然,旋风铣削加工方式具有以往的传统加工方式所无法比拟的优点,并且在加工制造大型螺纹丝杠方面得到越来越多的运用,但是同样的旋风铣削加工方式也无法避免地暴露了许多特有的缺点,比如:考虑到加工工件大跨度弱刚性以及断续切削力的冲击作用,在硬旋铣过程中工件的振动变形比较大,严重影响着工件的加工质量[6];成型刀具与加工工件的接触线比较长,在加工过程中容易出现螺纹干涉、过切等现象[7];同时内旋铣由于旋铣速度、刀具数量以及刀盘尺寸等条件的约束,使得在加工大导程螺纹方面存在着很大的问题[8];在辅助减振装置的运用方面也存在着有待解决的问题,需要系统地研究探讨更加合理的变支撑约束方案。28102
然而,螺纹旋铣技术在国外的运用相对于国内来说就比较广泛了,对于相关问题的研究工作也比较多的开展过,但是由于技术保密的原因,可以查阅到的资料并不是很多[9]。同时国外运用旋风铣削技术的早期阶段,此技术由于旋风铣床精度以及刀具材料等因素主要只是用于大型丝杠淬火前的软铣,后来随着技术的提升以及新材料的运用,使得硬铣大型丝杠成为可能[25]。Anna Carla Araujo[10]等人针对有关于螺纹旋风旋铣力方面的一些问题,建立了相关的模型,研究成果取得了一定的进展。2008年,Gael Vouillamoz[11]申请了旋风铣刀头专利,该铣削刀头主要是由铣削刀盘、铣削体壳、驱动带轮等部分组成,其工作原理可以简单概括为:带轮驱动主轴,带动刀盘进行铣削加工。Min Hwan Lee[12]等人通过模拟刀尖与工件的接触点轨迹,研究了蜗杆旋铣过程中刀具工件干涉和铣削力的问题。J.H.Son[13]通过使用Deform-3D有限元软件建立了大型丝杠旋铣的仿真模型,并预测了相应旋铣切削力。JAE HWAN SON[14]等基于DEFORM、ADAMS以及tool dynamometer估计了在旋铣加工过程中切削点处的三向切削力数值,并通过对比分析得出结论:主切削力Fx和被动力Fy远大于轴向进给力Fz。论文网
相比于国外,国内的螺纹旋铣技术起步比较晚,其相关的研究以及实验的侧重点各有不同。比如愧晓宇[15]等将渐进结构优化算法与有限元分析方法进行了有机结合,同时对机床本身进行了相关的动静态性能分析研究。国内谭立新教授先后也发表了许多关于旋铣的研究成果,比如:旋铣运动矢量建模[16]、旋铣加工质量分析[17,18]、普通数控旋铣机床的设计[19]、五轴数控旋铣机床误差补偿研究[20]、旋风铣头的动力学建模与优化设计[21,22]、旋铣刀具的设计与分析[21,23]等,但这些研究并没有在旋铣核心方面做进一步的深入,因此难以满足精密旋铣的要求。蔡力钢等[24]基于Timoshenko梁理论分别采用数值求解的方法以及有限元分析的方法求解了主轴的前6阶固有频率,并进行了相关对比研究分析。相应的,本课题组在2010年12月曾协助陕西汉江机床厂进行了大型丝杠硬态铣削的相关实验,收集了大量实验切屑,检测了旋铣机床关键点处的振动信号、螺纹滚道表面的残余应力状态,表面粗糙度以及丝杠温位移伸长量等过程参数,为以后的旋铣工艺试验提供一定的保障。总体来说可供查阅的国内相关研究还是比较多的,但是研究得比较零散,并没有全面系统地深入探讨。
1.3.2螺纹旋铣设备国内外现状
全球范围内比较知名的大型丝杠生产企业(比如美国THOMSON、日本NSK等)均运用了旋风铣削技术来提高丝杠加工生产效率。由于国外一些发达国家起步比较早,在螺纹旋铣设备方面拥有比较丰富的设计制造经验,并且已经生产出了较成熟的螺纹旋铣设备。查阅相关资料,可以了解到国外有能力生产CNC旋风铣床的主要厂家有:奥地利的WEINGARTNER-MASCHINENBAU公司,GWT公司,德国Lerstritz公司,Burgsmulle父子公司,Linsinger公司等[26]。据不完全统计,全球范围内约有28家大型丝杠生产企业已成功运用硬旋铣技术来加工高精度的大型滚珠丝杠了[4]。
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